JP2020016710A - 液晶素子及びその製造方法、表示装置、並びに液晶組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
[2] 上記[1]の液晶素子と、非表示状態で透明となる透明ディスプレイと、を備える表示装置。
[3] 液晶素子の製造方法であって、電極を備える一対の基材における前記電極の配置面に、重合体組成物を用いて、液晶を垂直配向させる液晶配向膜を形成する工程と、前記液晶配向膜を形成した前記一対の基材を、液晶及び重合性化合物を含有する液晶組成物を用いて形成された層を挟んで前記電極が対向するように配置する工程と、前記一対の基材の間に配置した前記液晶組成物を硬化させる工程と、を含み、前記液晶組成物は、上記式(1)で表される化合物、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物、及び上記式(4)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、液晶素子の製造方法。
[4] 垂直配向方式の高分子分散型液晶素子用の液晶組成物であって、液晶と重合性化合物とを含有し、前記液晶は、上記式(1)で表される化合物、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物、及び上記式(4)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、液晶組成物。
<液晶素子>
本実施形態の液晶素子10は、高分子分散型液晶素子であり、図1に示すように、第1基材11及び第2基材12からなる一対の基材と、第1基材11と第2基材12との間に配置された液晶層13と、を備えている。液晶素子10は、液晶層13に形成されたポリマーネットワーク13a中に存在している液晶分子13bの配向を電界によって制御することにより、光を透過する透過状態と、光を散乱させる不透過状態とが切り替わる調光素子である。
次に、液晶層13の形成に用いる液晶組成物について説明する。
液晶組成物は、液晶として、上記式(1)で表される化合物、上記式(2)で表される化合物、上記式(3)で表される化合物、及び上記式(4)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物(以下、「特定液晶」ともいう。)を含有する。
上記式(1)〜式(4)において、R1〜R8の1価の有機基は、炭素数1〜12の1価の炭化水素基、炭素数1〜12の炭化水素基と酸素原子とが結合した1価の基、又は炭素数1〜12の炭化水素基の少なくとも1個の水素原子がフッ素原子若しくはシアノ基で置換された基であることが好ましい。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられ、フッ素原子であることが好ましい。
R1〜R8としては、屈折率異方性をより大きくする観点から、これらのうち、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のフルオロアルキル基、炭素数1〜10のフルオロアルコキシ基、炭素数2〜11のシアノ基含有アルキル基、又は炭素数2〜11のシアノ基含有アルコキシ基であることが好ましい。
Y1〜Y9の1価の有機基は、炭素数1〜3のアルキル基又はアルコキシ基が好ましい。Y1〜Y9としては、フッ素原子、シアノ基、炭素数1〜3のアルキル基又は炭素数1〜3のアルコキシ基であることが好ましい。
Y1〜Y3は、ハロゲン原子又はメチル基が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
a1及びc1は、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。b1は、0〜3が好ましく、1〜3がより好ましく、2又は3がさらに好ましい。上記式(1)で表される化合物は、負の誘電率異方性を有することが好ましい。
上記式(1)で表される化合物は、フッ素原子を有していることが好ましい。この場合、Y1〜Y3はフッ素原子であって、かつa1+b1+c1が1以上であることが好ましい。より好ましくは、a1+b1+c1は2以上であり、さらに好ましくは2〜4であり、特に好ましくは2又は3である。フッ素原子が導入されるベンゼン環は特に限定されないが、屈折率異方性をより大きくする観点から、a1及びc1が0又は1であって、b1が1〜3であることが好ましく、a1及びc1が0であって、b1が2又は3であることがより好ましい。
Y4及びY5は、ハロゲン原子又はメチル基が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
a2及びb2は、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましい。上記式(2)で表される化合物は、誘電率異方性がほぼゼロのニュートラル液晶であるか、又は負の誘電率異方性を有していることが好ましい。
Y6及びY7は、ハロゲン原子又はメチル基であることが好ましく、フッ素原子又はメチル基がより好ましい。a3及びb3は、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましい。上記式(3)で表される化合物は、負の誘電率異方性を有することが好ましい。
Y8は、ハロゲン原子又はメチル基であることが好ましく、フッ素原子又はメチル基がより好ましい。a4は、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましい。上記式(4)で表される化合物は、負の誘電率異方性を有することが好ましい。
液晶組成物中に配合される重合性化合物としては、液晶に溶解可能であれば特に限定されないが、ラジカル重合性を示す化合物であることが好ましい。重合性化合物の具体例としては、例えば、単官能(メタ)アクリレート化合物、多官能(メタ)アクリレート化合物、多官能チオール化合物、スチレン系化合物等が挙げられる。なお、本明細書において「(メタ)アクリレート」は、アクリレート及びメタクリレートを含むことを意味する。
2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等のアルコール系(メタ)アクリレート類;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルコハク酸、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタル酸等のカルボン酸系(メタ)アクリレート類;アクリルアミド、イソブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等の窒素含有不飽和化合物;ペンタクロロフェニル(メタ)アクリレート等のハロゲン化(メタ)アクリレート類;3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシランなどを;
重合性化合物は、単官能(メタ)アクリレート化合物及び多官能チオール化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有していることが好ましく、少なくとも単官能(メタ)アクリレート化合物を含有していることがより好ましい。この場合、良好な垂直配向性を保持するようにしつつ、液晶層13中に重合性化合物によるポリマーネットワーク13aを形成できる点で好ましい。単官能(メタ)アクリレート化合物の含有割合は、使用する重合性化合物の合計量に対して、5〜80質量%とすることが好ましく、10〜70質量%とすることがより好ましく、15〜65質量%とすることがさらに好ましい。
液晶層13の全体に亘ってポリマーネットワーク13aが形成されるのを促進させる観点から、液晶組成物は、重合開始剤を含有することが好ましい。重合開始剤は、可視光線、紫外線、遠紫外線、電子線、X線等の放射線の照射によって重合性化合物の重合を開始可能な化合物(光開始剤)であることが好ましい。光開始剤は、光照射によってラジカルを発生可能なラジカル重合開始剤であることが好ましく、その具体例としては、例えばアセトフェノン、ベンゾフェノン、2−ベンゾイル安息香酸、4,4’−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、2−メトキシ−2−フェニルアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、3−メチルアセトフェノン、4−クロロベンゾフェノン、4,4’−ジメトキシベンゾフェノン、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、ジフェニル(2,4,6−トリメトキシベンゾイル)ホスフィンオキサイド、2−ヒドロキシ−1−[4−[4−(2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオニル)ベンジル]フェニル]−2−メチルプロパン−1−オン、4,4’−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−2−フェニルアセトフェノン、4,4’−ジメトキシベンジル、2−ベンジル−2−(ジメチルアミノ)−1−[4−(モルホリノ)フェニル]−1−ブタノン等が挙げられる。
液晶組成物は、下記式(5)で表される化合物(以下、「化合物[E]」ともいう。)を含有することが好ましい。化合物[E]を含有する液晶組成物を用いて液晶層13を形成することにより、電圧無印加時の垂直配向性を改善でき、電圧無印加時の光透過性により優れた液晶素子を得ることができる点で好適である。
A1−B1−B2−B3 …(5)
(式(5)中、A1は重合性基であり、B1は、単結合又は炭素数1〜20のアルカンジイル基を有する2価の鎖状基であり、B2は、フェニレン基及びシクロへキシレン基のうち少なくともいずれかの環構造又はステロイド骨格を有する2価の基であり、B3は、炭素数1〜20のアルキル基、フッ素含有アルキル基、アルコキシ基又はフッ素含有アルコキシ基である。)
−X1−R21−X2− …(b−1)
(式(b−1)中、X1及びX2は、それぞれ独立して、単結合、−O−、−NR22−、−COO−、−OCO−、−CH2O−、−OCH2−、−CONR22−又は−NR22CO−であり、R21は、炭素数1〜20のアルカンジイル基であり、R22は水素原子又はメチル基である。)
B2は、好ましくは、下記式(b−2)で表される2価の基である。
−X3−R23−X4−R24− …(b−2)
(式(b−2)中、X3及びX4は、それぞれ独立して、単結合、−O−、−COO−、−OCO−、−CH2O−又は−OCH2−であり、R23はフェニレン基又はシクロヘキシレン基であり、R24は、単結合、フェニレン基又はシクロヘキシレン基である。)
液晶組成物は、液晶層13が着色された液晶素子10を得るために、色素を含有していていてもよい。また、本開示の液晶素子10によれば、液晶層13中に色素を分散させた場合にも、電圧の印加/無印加の切り替えによる光遮光性/光透過性の変化が明瞭であり、また、繰り返し駆動した場合の耐久性も良好である点で好ましい。
色素としては、二色性色素を好ましく用いることができる。使用する二色性色素は特に限定されず、公知の化合物を適宜用いることができるが、例えば、ポリヨウ素、アゾ化合物、アントラキノン化合物、ジオキサジン化合物等が挙げられる。これらのうち、耐光性に優れ、しかも二色比が高い点で、アゾ化合物及びアントラキノン化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましく、アゾ化合物が特に好ましい。なお、色素は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせてもよい。
次に、液晶配向膜14,15を形成するために用いる液晶配向剤について説明する。液晶配向剤は、重合体成分、及び必要に応じて使用されるその他の成分が、好ましくは溶剤中に溶解されてなる液状の組成物である。
重合体成分の主骨格は特に制限されないが、信頼性がより高い液晶素子を得ることができる点で、重合性不飽和結合を有するモノマーに由来する構造単位を有する重合体(以下、「重合体[A]」ともいう。)、ポリオルガノシロキサン、ポリアミック酸、ポリイミド、及びポリアミック酸エステルよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。これらのうち、液晶層13と液晶配向膜14,15との密着性をより高くできる点、及び低沸点溶剤に対する重合体成分の溶解性をより高くできる点で、重合体[A]、ポリオルガノシロキサン、ポリアミック酸、及びポリアミック酸エステルよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることがより好ましく、重合体[A]及びポリオルガノシロキサンよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが特に好ましい。
液晶配向剤は、重合体成分として、垂直配向性基を有する重合体(以下、「重合体[P]」ともいう。)を含有する。これにより、基材11,12上に、液晶配向膜14,15として垂直配向膜を形成できる。ここで、本明細書において「垂直配向性基」とは、液晶配向剤を用いて形成した有機薄膜に対し、液晶分子に所望のプレチルト角(例えば、85〜89度のプレチルト角)を誘起させる機能を付与する官能基である。この垂直配向性基は、光照射によらずに液晶を垂直配向させる性質を示す。
*−L1−R41−R42−R43−R44 …(7)
(式(7)中、L1は、−O−、−CO−、−COO−*1、−OCO−*1、−NR45−、−NR45−CO−*1、−CO−NR45−*1、炭素数1〜6のアルカンジイル基、−O−R46−*1、又は−R46−O−*1(ただし、R45は水素原子又は炭素数1〜10の1価の炭化水素基であり、R46は炭素数1〜3のアルカンジイル基である。「*1」は、R41との結合手であることを示す。)である。R41及びR43は、それぞれ独立に、単結合、フェニレン基又はシクロアルキレン基であり、R42は、単結合、フェニレン基、シクロアルキレン基、ステロイド骨格を有する炭素数17〜51の炭化水素基、−R47−B11−*2、又は−B11−R47−*2(ただし、R47はフェニレン基又はシクロアルキレン基であり、B11は単結合、−COO−*3、−OCO−*3、又は炭素数1〜3のアルカンジイル基である。「*2」は、R43との結合手であることを示し、「*3」は、R47との結合手であることを示す。)である。R44は、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜18のフルオロアルキル基、炭素数1〜18のアルコキシ基、又は炭素数1〜18のフルオロアルコキシ基であり、少なくとも1個の水素原子が重合性基で置換されていていてもよい。ただし、R44が水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、炭素数1〜3のアルコキシ基、又は炭素数1〜3のフルオロアルコキシ基である場合、R41、R42及びR43の全部が単結合になることはない。「*」は結合手であることを示す。)
液晶配向剤は、重合性基を側鎖に有する重合体(以下、「重合体[Q]」ともいう。)を含むことが好ましい。重合体[Q]を含むことによって、液晶配向膜の液晶層に対する密着性をより高くでき、例えばロールツーロール法を用いて液晶素子を製造した場合に、液晶層と液晶配向膜との間での剥離を生じにくくすることができる点で好適である。
(a)重合体成分が、垂直配向性基及び重合性基を側鎖に有する重合体[P1]のみからなる態様。
(b)重合体成分が、垂直配向性基及び重合性基を側鎖に有する重合体[P1]と、垂直配向性基及び重合性基をいずれも有さない重合体[R]と、からなる態様。
上記(b)の場合、重合体[P1]及び重合体[R]の層分離を促進させることによって、電圧無印加時における垂直配向性をより良好にできるとともに、液晶層と液晶配向膜との密着性をより高くできる点で、重合体[P1]がポリオルガノシロキサンであって、重合体[R]が重合体[A]及びポリアミック酸よりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、液晶層13と液晶配向膜14,15との密着性に優れている点で、重合体[R]が重合体[A]であることが特に好ましい。
[酸化防止剤・紫外線吸収剤]
液晶配向剤は、重合体成分以外のその他の成分として、酸化防止剤及び紫外線吸収剤よりなる群から選ばれる少なくとも一種(以下、「成分[G]」ともいう。)を含有することが好ましい。成分[G]を配向膜中に含有させることにより、電圧無印加時のヘーズ値をより低くでき、光透過性により優れた液晶素子が得られる点で好ましい。なお、こうした効果は、配向膜中の成分[G]によって、ポリマーネットワーク形成のための硬化処理の際に、配向膜表面近傍に存在する液晶組成物中の重合性化合物の重合反応が抑制され、これにより、液晶の垂直配向性を十分に高く保持したまま液晶層13中にポリマーネットワーク13aが形成されたことによるものと推測される。
酸化防止剤としては、ラジカルや過酸化物をトラップする機能を有していれば特に限定されないが、例えば、アミン構造(好ましくは、ヒンダードアミン構造)を有する化合物、フェノール構造(好ましくは、ヒンダードフェノール構造)を有する化合物、アルキルホスフェート構造を有する化合物(リン系酸化防止剤)、チオエーテル構造を有する化合物(イオウ系酸化防止剤)、及びこれらの混合物(ブレンド系酸化防止剤)等が挙げられる。
フェノール構造を有する化合物として、例えばアデカスタブAO−30、AO−40、AO−60、AO−80、AO−330(以上、ADEKA製)、IRGANOX1010、IRGANOX1035、IRGANOX1098、IRGANOX1135、IRGANOX1330、IRGANOX1726、IRGANOX3114、IRGANOX565、IRGAMOD295(以上、BASFジャパン製)、BisP−AP、TrisP−PA−MF(以上、本州化学社製)、p−メトキシフェノール等を;
イオウ系酸化防止剤として、例えばアデカスタブAO−412、同AO−503(以上、ADEKA製)、IRGANOX PS 800、IRGANOX PS 802(以上、BASFジャパン製)等を;
ブレンド系酸化防止剤として、例えばアデカスタブA−611、A−612、AO−37、AO−15、AO−18、328(以上、ADEKA製)、TINUVIN111、TINUVIN791(以上、BASFジャパン製)等を、それぞれ挙げることができる。酸化防止剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
紫外線吸収剤としては、紫外線(好ましくは、290nm〜400nmの紫外線)を吸収可能な化合物であれば特に限定されないが、例えばベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾフェノン系化合物等が挙げられる。これらの具体例としては、ベンゾトリアゾール系化合物として、例えば2−(2’−ヒドロキシ−5’−メチルフェニル)−ベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3’−tert−ブチル−5’−メチルフェニル)−5−クロロベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−3’,5’−ジ−tert−アミルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2’−ヒドロキシ−5’−tert−オクチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2,2’−メチレンビス[6−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)−4−tert−オクチルフェノール]、2−[2−ヒドロキシ−3,5−ビス(α,α−ジメチルベンジル)フェニル]−2H−ベンゾトリアゾール等を;
ベンゾフェノン系化合物として、例えば2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−メトキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−メトキシベンゾフェノン−5−スルホン酸三水和物、2−ヒドロキシ−4−オクチルオキシベンゾフェノン、4−ドデシルオキシ−2−ヒドロキシベンゾフェノン、4−ベンジルオキシ−2−ヒドロキシベンゾフェノン、2,2’4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、2,2’−ジヒドロキシ−4,4’−ジメトキシベンゾフェノン等を、それぞれ挙げることができる。紫外線吸収剤は、これらのうちの1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
液晶配向剤に含有させる溶剤としては、例えば、非プロトン性極性溶媒、フェノール系溶媒、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、ハロゲン化炭化水素、炭化水素等の有機溶媒が挙げられる。溶剤は、1種でもよく、2種以上の混合溶媒であってもよい。
上記式(D−2)で表される化合物として、例えばシクロブタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等を、それぞれ挙げることができる。なお、特定溶剤としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン、乳酸ブチル、酢酸ブチル、メチルメトキシプロピオネ−ト、エチルエトキシプロピオネ−ト、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコール−n−ブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールジメチルエーテル、イソアミルプロピオネート、ジイソペンチルエーテル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、シクロヘキサン、オクタノール、テトラヒドロフラン、ジイソブチルケトン等が挙げられる。これらは、1種を単独で又は2種以上を混合して使用することができる。なお、上記その他の溶剤のうち、高極性溶剤は、溶解性及びレベリング性の更なる向上を目的として使用でき、アミド構造を含まない炭化水素系の溶剤は、プラスチック基材への適用や低温焼成を可能にする目的で使用できる。
次に、液晶素子10の製造方法について説明する。液晶素子10は、第1基材11及び第2基材12のそれぞれに液晶配向剤を塗布して液晶配向膜14,15を形成する工程Aと、液晶配向膜14,15を有する一対の基材を、液晶組成物の層を挟んで配置して液晶セルを構築する工程Bと、液晶セルの構築後に液晶組成物を硬化させる工程Cと、を含む方法により製造することが好ましい。
液晶配向剤の塗布は、第1基材11及び第2基材12のそれぞれの電極配置面上に、例えばオフセット印刷法、スピンコート法、ロールコーター法、インクジェット印刷法、バーコーター法、フレキソ印刷法などの公知の塗布方法により行う。液晶配向剤を塗布した後、塗布した液晶配向剤の液垂れ防止などの目的で、好ましくは予備加熱(プレベーク)が実施される。プレベーク温度は、基材の種類に応じて設定されるが、140℃以下とすることが好ましく、120℃以下とすることがより好ましく、100℃以下とすることがさらに好ましい。プレベーク温度の下限値は、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上である。プレベーク時間は、好ましくは0.25〜10分である。
工程Bでは、液晶配向膜14,15を有する基材を2枚準備し、液晶配向膜14,15が相対するように対向配置した2枚の基材間に、液晶及び重合性化合物を含有する液晶組成物の層を配置して、液晶セルを製造する。具体的には、第1基材11及び第2基材12の周辺部をシール剤によって貼り合わせ、基材表面及びシール剤により区画されたセルギャップ内に液晶組成物を注入充填した後、注入孔を封止する方法;一方の基材の液晶配向膜側の周辺部にシール剤を塗布し、さらに液晶配向膜面上の所定の数箇所に液晶組成物を滴下した後、液晶配向膜14,15が対向するように他方の基材を貼り合わせるとともに液晶組成物を基材11,12の全面に押し広げ、その後シール剤を硬化する方法(ODF方式)、などが挙げられる。シール剤としては、例えば硬化剤及びスペーサとしての酸化アルミニウム球を含有するエポキシ樹脂などを用いることができる。
工程Cでは、加熱及び光照射から選択される1種以上の処理を施すことによって、液晶組成物を硬化させる処理を行う。この硬化反応により、内部にポリマーネットワークが形成された液晶層13が得られる。熱により硬化させる場合、加熱温度は、使用する重合性化合物及び液晶の種類によって適宜に選択されるが、例えば40〜80℃の範囲の温度とする。加熱時間は、好ましくは0.5〜5分である。光照射により硬化させる場合、照射光としては、200〜500nmの範囲の波長を有する非偏光の紫外線を好ましく使用することができる。光の照射量としては、50〜10,000mJ/cm2とすることが好ましく、100〜5,000mJ/cm2とすることがより好ましい。
本開示の表示装置は、上述した液晶素子と、非表示状態で透明となる透明ディスプレイと、を備える。具体的には、図3に示すように、表示装置20は、透明ディスプレイ30の背面に液晶素子10が配置された構造となっており、液晶素子10が調光素子として機能することにより、透明ディスプレイ30の表示の視認性が変化するものとなっている。
Mwは、以下の条件におけるGPCにより測定したポリスチレン換算値である。
カラム:東ソー(株)製、TSKgelGRCXLII
溶剤:テトラヒドロフラン、又は、リチウムブロミド及びリン酸含有のN,N−ジメチルホルムアミド溶液
温度:40℃
圧力:68kgf/cm2
[エポキシ当量]
エポキシ当量は、JIS C 2105に記載の塩酸−メチルエチルケトン法により測定した。
[ポリイミドのイミド化率]
ポリイミドの溶液を純水に投入し、得られた沈殿を室温で十分に減圧乾燥した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、テトラメチルシランを基準物質として室温で1H−NMRを測定した。得られた1H−NMRスペクトルから、下記数式(1)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1−A1/A2×α)×100 …(1)
(数式(1)中、A1は化学シフト10ppm付近に現れるNH基のプロトン由来のピーク面積であり、A2はその他のプロトン由来のピーク面積であり、αは重合体の前駆体(ポリアミック酸)におけるNH基のプロトン1個に対するその他のプロトンの個数割合である。)
(1)ポリ(メタ)アクリレートの合成
[合成例1]
冷却管と攪拌機を備えたフラスコに、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.2質量部及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート200質量部を仕込んだ。引き続き、メタクリル酸グリシジル80質量部及びスチレン20質量部を仕込み、窒素置換した後、ゆるやかに撹拌を始めた。溶液温度を95℃に上昇させ、この温度を5時間保持し、重合体(Pac−1)を含む重合体溶液を得た。なお、重合体溶液の固形分濃度の測定結果から算出された反応終了後のモノマー消費率は99%であった。
冷却管と攪拌機を備えたフラスコに、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル1.2質量部及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート200質量部を仕込んだ。引き続き、メタクリル酸グリシジル50質量部、及びトリシクロ[5.2.1.02,6]デカ−8−イル=メタクリラート50質量部を仕込み、窒素置換した後、ゆるやかに撹拌を始めた。溶液温度を95℃に上昇させ、この温度を5時間保持し、重合体(Pac−2)を含む重合体溶液を得た。なお、重合体溶液の固形分濃度の測定結果から算出された反応終了後のモノマー消費率は99%であった。
[合成例3]
撹拌機、温度計、滴下漏斗及び還流冷却管を備えた反応容器に、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン(ECETS)100.0g、8−(メタクリロイルオキシ)オクチルトリメトキシシラン46.9g、メチルイソブチルケトン500g及びトリエチルアミン14.7gを仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100gを滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃で6時間反応させた。反応終了後、有機層を取り出し、0.2質量%硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄したのち、減圧下で溶媒及び水を留去することにより、エポキシ基を有するポリシロキサン(SEp−1)を粘調な透明液体として得た。このエポキシ基を有するポリシロキサンについて、1H−NMR分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にエポキシ基に基づくピークが得られた。得られたポリシロキサン(SEp−1)の重量平均分子量(Mw)はMw=2,200であり、エポキシ当量は186g/モルであった。
100mLの三口フラスコに、合成例3で得たエポキシ基を有するポリシロキサン(SEp−1)18.4g、メチルイソブチルケトン30.8g、4−(2−(4’−ペンチル−[1,1’−ビシクロヘキサン]−4−イル)エチル)安息香酸3.2g(ポリシロキサン(SEp−1)が有するエポキシ基100モル部に対して30モル部)、及びテトラブチルアンモニウムブロミド1.03gを仕込み、80℃で12時間撹拌した。反応終了後、ジエチレングリコールジエチルエーテル40g及びシクロヘキサン60gを追加し、この溶液を6回分液洗浄により水洗した後、ジエチレングリコールジエチルエーテルをさらに100g追加し、固形分濃度10質量%となるように溶媒を留去した。これにより、垂直配向性基を有するポリオルガノシロキサン(これを「重合体(S−1)」とする。)を含有する固形分濃度10質量%のジエチレングリコールジエチルエーテル溶液を得た。重合体(S−1)の重量平均分子量Mwは15,000であった。
[合成例5]
テトラカルボン酸二無水物として2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物135.97g(合成に使用したジアミンの全体量100モル部に対して97モル部)、並びにジアミン化合物として3,5−ジアミノ安息香酸コレスタニルを78.22g(同20モル部)及び4,4’−ジアミノジフェニルエーテル89.88g(同60モル部)、及び4−{4−[2−(4’−ペンチル−1,1’−ビシクロヘキシル)エチル]フェノキシ}ベンゼン−1,3−ジアミン69.23g(同20モル部)を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)1600gに溶解し、30℃で6時間反応を行った。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。回収した沈殿物をメタノールで洗浄した後、減圧下40℃において15時間乾燥することにより、ポリアミック酸(これを重合体(PAA−1)とする。)を210g得た。
[合成例6]
テトラカルボン酸二無水物として2,4,6,8−テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン−2:4,6:8−二無水物3.19g(12.8mmol)、並びにジアミン化合物として1,3−ジアミノ−4−[4−(トランス−4−n−ヘプチルシクロヘキシル)フェノキシメチル]ベンゼン4.59g(11.6mmol)及び3,5−ジアミノ安息香酸2.16g(14.2mmol)をNMP24.9gに溶解し、80℃で5時間反応を行った後、テトラカルボン酸二無水物として1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物2.50g(12.8mmol)、及びNMP12.4gを加え、40℃で8時間反応を行い、重合体濃度が25質量%のポリアミック酸溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液30.0gにNMPを加えて6質量%に希釈した後、無水酢酸3.95g及びピリジン2.40gを加え、50℃で2時間反応させた。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。回収した沈殿物をメタノールで洗浄した後、減圧下100℃で乾燥することにより、ポリイミド(これを重合体(PI−1)とする。)を得た。得られたポリイミドのイミド化率は55%であり、重量平均分子量は48,000であった。
(1)液晶組成物Aの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.12g及び化合物(R−3)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、二色性色素(m−1)を0.07g、並びに、特定液晶として化合物(C−1)を0.36g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Aを得た。
(2)液晶組成物Bの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.09g及び化合物(R−4)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、並びに、特定液晶として化合物(C−2)を0.12g及び化合物(C−3)を0.12g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Bを得た。
(3)液晶組成物Cの調製
液晶(MLC−7026−100、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−3)を0.15g及び化合物(R−4)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、並びに、特定液晶として化合物(C−4)を0.24g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Cを得た。
(4)液晶組成物Dの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.12g及び化合物(R−3)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.01g、化合物(E−1)を0.12g、並びに、特定液晶として化合物(C−1)を0.30g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Dを得た。
液晶(MLC−7026−100、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.12g及び化合物(R−4)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.015g、二色性色素(m−2)を0.04g、化合物(E−1)を0.24g、並びに、特定液晶として化合物(C−2)を0.20g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Eを得た。
(6)液晶組成物Fの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−3)を0.12g及び化合物(R−4)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、化合物(E−1)を0.48g、並びに、特定液晶として化合物(C−4)を0.40g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Fを得た。
(7)液晶組成物Gの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.12g及び化合物(R−3)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、並びに、化合物(E−1)を0.24g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Gを得た。
(8)液晶組成物Hの調製
液晶(MLC−6608、メルク社製)を1.20g、重合性化合物として化合物(R−1)を0.12g、化合物(R−2)を0.12g及び化合物(R−4)を0.12g、光開始剤として化合物(P−1)を0.012g、並びに、他の液晶として化合物(D−1)を0.36g混合し、加熱した後に25℃まで冷却して液晶組成物Hを得た。
液晶組成物A〜Hの組成を下記表1に示す。
[調製例1:液晶配向剤(A−1)の調製]
合成例4で得た重合体(S−1)を含有するジエチレングリコールジエチルエーテル溶液を、重合体(S−1)に換算して20質量部に相当する量、及び合成例1で得た重合体(Pac−1)を含有する溶液を、重合体(Pac−1)に換算して80質量部に相当する量を混合し、これに溶媒として、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、ジエチレングリコールジエチルエーテル(DEDG)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を加え、固形分濃度が4質量%、各溶媒の質量比がPGME:DEDG:PGMEA=30:20:50となるように調製した。次いで、得られた溶液を孔径0.2μmのフィルターでろ過することにより液晶配向剤(A−1)を調製した。
[調製例2〜6]
配合組成を下記表2に記載のとおりに変更した以外は、液晶配向剤(A−1)と同様にして液晶配向剤を調製し、それぞれ液晶配向剤(A−2)〜(A−3)、(B−1)〜(B−3)とした。
(溶剤)
PGME:プロピレングリコールモノメチルエーテル
PGMEA:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
DEDG:ジエチレングリコールジエチルエーテル
GBL;γ−ブチロラクトン
上記で調製した液晶配向剤(A−1)を、基材表面にITO電極を有するPETフィルム基材(PET−ITO基材)の電極配置面上にバーコーターを用いて塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、庫内を窒素置換した120℃のオーブンで2分間加熱(ポストベーク)することにより、平均膜厚0.1μmの液晶配向膜を形成した。得られた液晶配向膜を目視及び倍率100倍の顕微鏡で観察して、膜厚ムラ、塗工ムラ及びピンホールの有無を調べた。評価は、目視及び100倍の顕微鏡で観察しても膜厚ムラ、塗工ムラ及びピンホールがいずれも観察されなかった場合を塗工性「良好」、100倍の顕微鏡ではピンホールが観察されたが、目視で塗膜表面の塗工ムラが観察されなかった場合を塗工性「可」、目視により膜厚ムラ、塗工ムラ及びピンホールの少なくともいずれかが明確に観察された場合を塗工性「不良」として行った。液晶配向剤(A−1)を用いて形成した液晶配向膜は、目視及び100倍の顕微鏡でも、膜厚ムラ、塗工ムラ及びピンホールのいずれも観察されず、塗工性は「良好」であった。
また、液晶配向剤(A−2)、(A−3)及び(B−1)〜(B−3)のそれぞれについても同様に塗工性を評価したところ、いずれも塗工性は「良好」の評価であった。
[実施例1]
(1)液晶素子(PDLC素子)の製造
液晶配向剤(A−1)を用い、上記3.(3)の「塗工性の評価」と同様にして、PET−ITO基材の電極配置面に液晶配向膜を形成した。同じ操作を繰り返して、液晶配向膜を有する基材を一対(2枚)作製した。次いで、一方の基材の液晶配向膜を有する面に18μmのスペーサを塗布し、その後、スペーサを塗布した液晶配向膜面に、上記で調製した液晶組成物Aを滴下した。次いで、他方の基材の液晶配向膜面が向き合うように、2枚の基材をシール剤により貼り合わせ、液晶セルを得た。この液晶セルに、紫外線発光ダイオードを光源とする紫外線照射装置を用いて、波長365nm、紫外線強度5mW/cm2、照射時間15秒、基材表面温度20℃の条件で紫外線を照射して液晶組成物Aを硬化させ、図1に示す液晶素子10を得た。なお、液晶素子10については複数個準備し、以下の評価にそれぞれ供した。
上記(1)で製造した液晶素子10につき、電圧無印加状態でのヘーズ(HAZE)を測定することにより電圧無印加時の透明性を評価した。測定は、分光式ヘーズメータ(東京電色社製)を用いて行った。ヘーズ値が低いほど、その液晶素子は透明性が良好であることを意味する。その結果、実施例1ではヘーズ値=15%であった。
(3)光散乱性の評価
上記(1)で製造した液晶素子10につき、電圧印加状態でのヘーズ値を測定することにより電圧印加時の光散乱性を評価した。測定は、液晶素子10を交流駆動で40V印加し、上記(2)と同様に分光式ヘーズメータ(東京電色社製)を用いて行った。ヘーズ値が高いほど、その液晶素子は光散乱性が良好であることを意味する。その結果、実施例1ではヘーズ値=94%であった。
上記(1)で製造した液晶素子を交流駆動で30V印加したときの電圧印加状態でのヘーズ値を測定することにより、低電圧駆動特性を評価した。測定は、上記(2)と同様に分光式ヘーズメータ(東京電色社製)を用いて行った。ヘーズ値が高いほど、その液晶素子はより低い電圧印加によって光透過状態/光散乱状態を切り替えることができ省電力化に優れ、またコントラスト特性が良好であることを意味する。その結果、実施例1ではヘーズ値=83%であった。
上記(1)で製造した液晶素子10を100℃のクリーンオーブン(PVHC-231ESPEC社製)で1時間加熱し、その加熱後に上記(2)と同様の方法により電圧無印加状態でのヘーズ値を測定した。また、加熱後の液晶素子10につき、上記(3)と同様の方法により電圧印加状態でのヘーズ値を測定した。加熱前後のヘーズ値の差が小さいほど、その液晶素子は熱信頼性に優れているといえる。その結果、実施例1の液晶素子は、電圧無印加状態では、加熱前後のヘーズ値の変化は4%であり、また電圧印加状態では、加熱前後でヘーズ値に変化は見られなかった。
上記(1)で製造した液晶素子10に対し、耐光性試験機(SUNTEST CPS+:東洋精機社製)によりキセノンランプ光(照度250W/m2(300−800nm))を200時間照射した。光照射後の液晶素子につき、上記(2)と同様の方法により電圧無印加状態でのヘーズ値を測定するとともに、上記(3)と同様の方法により電圧印加状態でのヘーズ値を測定した。光照射前後のヘーズ値の差が小さいほど、その液晶素子は耐候性に優れているといえる。その結果、実施例1の液晶素子は、電圧無印加状態では、光照射前後のヘーズ値の変化は7%であり、また電圧印加状態では、光照射前後のヘーズ値の変化は1%であった。
上記(1)で製造した液晶素子10を用いて、液晶層13と液晶配向膜14,15との密着性を評価した。評価は、液晶素子10を温度80℃、湿度90%RHの高温高湿槽内に24時間保管し、保管後の液晶素子10内の気泡の有無、及び液晶素子10の剥離の有無を確認することにより行った。このとき、液晶素子10内に気泡が見られず、また液晶層13と液晶配向膜14,15との間に剥がれが生じなかった場合を「3」、液晶層13と液晶配向膜14,15との剥がれは生じていないものの、液晶素子10内に僅かに気泡が見られた場合を「2」、随所に気泡が見られ、液晶層13と液晶配向膜14,15との剥がれが生じた場合を「1」と評価した。なお、「3」が最も優れており、「1」が最も評価が低いことを示している。その結果、実施例1では「3」の評価であった。
液晶組成物及び液晶配向剤の種類を下記表3に示すとおり変更した以外は、実施例1と同様にして液晶素子10を製造し、各種評価を行った。その結果を下記表3に示した。
二色性色素を配合した液晶組成物を用いて製造した液晶素子(実施例1,5,7,11,13)について、さらに以下の評価(光透過性の評価、光遮断性の評価、及び繰り返し駆動耐久試験の評価)を行った。
(1)光透過性の評価
電圧無印加状態での液晶素子の透過率を測定することにより、電圧無印加時の光透過性を評価した。測定は、分光光度計(日立製作所(株)製の150−20型ダブルビーム)を用いて、波長400nmにおける光線透過率(%)により行った。透過率が高いほど、その液晶素子は光透過性が良好であることを意味する。その結果、実施例1では透過率=60%、実施例5では透過率=71%、実施例7では透過率=57%、実施例11では透過率=71、実施例13では透過率=59%であった。
電圧印加状態での液晶素子の透過率を測定することにより、電圧印加時の光遮断性について評価した。測定は、液晶素子に対し、交流駆動で40V印加し、上記5.(1)と同様、分光光度計(日立製作所(株)製の150−20型ダブルビーム)を用いて行った。透過率が低いほど、その液晶素子は光遮断性が良好であることを意味する。その結果、実施例1では透過率=8%、実施例5では透過率=10%、実施例7では透過率=8%、実施例11では透過率=11%、実施例13では透過率=8%であった。
(3)繰り返し駆動耐久試験の評価
実施例11の液晶素子に対し、40Vの電圧を1秒間印加し、その後1秒間、電圧無印加の状態にした。この操作を1800回繰り返した後に、上記5.(1)及び上記5.(2)と同様にして透過率を測定し、繰り返し駆動耐久性を評価した。繰り返し駆動の前後における透過率の変化が小さいほど、繰り返し駆動に対する耐久性に優れているといえる。その結果、この実施例では、駆動の前後において、電圧無印加時では透過率の変化が見られず、電圧印加時では透過率の増加は2%のみであった。
また、実施例4〜6と実施例1〜3とを対比すると分かるように、液晶組成物中に化合物[E]を含有させることにより、電圧無印加時のヘーズ値をより低くできた。
さらに、液晶層に色素(二色性色素)を分散させた実施例(実施例1,5,7,11,13)においても、得られた液晶素子の耐熱性及び耐候性が良好であり、電圧無印加状態での光透過性及び電圧印加状態での光散乱特性が良好であった。また、液晶素子を電圧印加/無印加を繰り返し行った後でも、光遮光性及び光透過性が良好であり、駆動耐久性に優れていた。
これに対し、液晶層13中に特定液晶を含まない比較例1,2は、液晶層13中に特定液晶を含む実施例1〜14に比べて、電圧印加時の光散乱性が劣り、比較例2では電圧無印加時の光透過性についても劣っていた。また、比較例1,2は、実施例1〜14に比べて、低電圧駆動したときのヘーズ値が低く、コントラスト特性に劣っていた。
Claims (14)
- 対向配置された一対の基材と、
前記一対の基材において互いに対向する面にそれぞれ配置された電極と、
前記一対の基材間に配置され、液晶及び重合性化合物を含有する液晶組成物を硬化して形成された液晶層と、
前記一対の基材のうち少なくとも一方の電極配置面に、前記液晶層に隣接して配置され、液晶を垂直配向させる液晶配向膜と、を備え、
前記液晶組成物は、下記式(1)で表される化合物、下記式(2)で表される化合物、下記式(3)で表される化合物、及び下記式(4)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、液晶素子。
- 上記式(1)〜式(4)中のR1〜R8は、それぞれ独立して、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のフルオロアルキル基、炭素数1〜10のフルオロアルコキシ基、炭素数2〜11のシアノ基含有アルキル基、又は炭素数2〜11のシアノ基含有アルコキシ基である、請求項1に記載の液晶素子。
- 前記重合性化合物は、単官能(メタ)アクリレート化合物及び多官能チオール化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、請求項1又は2に記載の液晶素子。
- 前記液晶配向膜は、重合性基を側鎖に有する重合体を含有する重合体組成物を用いて形成されてなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 前記液晶配向膜は、重合性不飽和結合を有するモノマーに由来する構造単位を有する重合体、ポリオルガノシロキサン、ポリアミック酸、及びポリアミック酸エステルよりなる群から選ばれる少なくとも一種を用いて形成されてなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 前記液晶配向膜中に、酸化防止剤及び紫外線吸収剤よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 前記液晶組成物中に、下記式(5)で表される化合物を更に含有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の液晶素子。
A1−B1−B2−B3 …(5)
(式(5)中、A1は重合性基であり、B1は、単結合又は炭素数1〜20のアルカンジイル基を有する2価の鎖状基であり、B2は、フェニレン基及びシクロへキシレン基のうち少なくともいずれかの環構造又はステロイド骨格を有する2価の基であり、B3は、炭素数1〜20のアルキル基、フッ素含有アルキル基、アルコキシ基又はフッ素含有アルコキシ基である。) - 前記液晶組成物中に、色素を更に含有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の液晶素子と、非表示状態で透明となる透明ディスプレイと、を備える表示装置。
- 液晶素子の製造方法であって、
電極を備える一対の基材における前記電極の配置面に、重合体組成物を用いて、液晶を垂直配向させる液晶配向膜を形成する工程と、
前記液晶配向膜を形成した前記一対の基材を、液晶及び重合性化合物を含有する液晶組成物を用いて形成された層を挟んで前記電極が対向するように配置する工程と、
前記一対の基材の間に配置した前記液晶組成物を硬化させる工程と、を含み、
前記液晶組成物は、下記式(1)で表される化合物、下記式(2)で表される化合物、下記式(3)で表される化合物、及び下記式(4)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、液晶素子の製造方法。
- 上記式(1)〜式(4)中のR1〜R8は、それぞれ独立して、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜10のフルオロアルキル基、炭素数1〜10のフルオロアルコキシ基、炭素数2〜11のシアノ基含有アルキル基、又は炭素数2〜11のシアノ基含有アルコキシ基である、請求項12に記載の液晶組成物。
- 前記重合性化合物は、単官能(メタ)アクリレート化合物及び多官能チオール化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する、請求項12又は13に記載の液晶組成物。
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